太阳能热水器控制系统的设计2Word文档下载推荐.docx
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1.1课题背景和意义
目前，中国已成为世界上最大的太阳能热水器生产国，年产量约为世界各国之和，已有一百多家太阳能热水器生产厂。
但是与之配套的太阳能热水器控制器却一直处在研究与开发阶段，当由于天气原因而光强不足时，就会给热水器用户带来不便；
即使热水器具有辅助加热功能，由于加热时间不能控制而产生过烧，从而浪费大量的电能。
温度控制采用模糊控制，控制器可以根据天气情况利用辅助加热装置使蓄水箱内的水温在设定时间达到预先设定的温度，从而达到24小时供应热水的目的。
太阳能热水器是太阳能利用中最常见的一种装置，经济效益明显，正在迅速的推广应用，太阳能热水器能够将太阳辐射能转换热能，供生产和生活使用。
他主要由平板集热器、蓄水器和连接管道等部件组成，可分循环式、直流式和闷晒式。
太阳能热水器是环保、无污染，人们用着安全放心。
利用太阳的能源，大量节约现有的能源，是以后能源发展的趋势。
原有的燃气热水器和电热水器虽然加热速度比较快，但是所用的煤和气都会对环境造成一定的污染，而且会使室内的空气变得不清新，电热水器的功率较大，对长期使用的一般家庭来说必定会带来一定的经济困难，是一笔相当大的开销[14]。
太阳能热水器安全、环保、经济，带有辅助加热功能的热水器可在全年的任何时候使用，设计一个控制器来帮助人们了解水的温度和热水器中水位的高低，使人们清楚的使用。
先前国内外大多数家庭使用的太阳能热水器只是纯粹的太阳能加热问题，还没有其他的智能控制方面，在没有太阳的天气中没有足够的能源使水箱中的水加到最热。
其次对太阳能热水器中的水位没有记录，使人们不能及时知道水箱中的水量，以便补充，缺乏自动性。
如今大多数的家庭太阳能都装有水位监测和水温测量、显示的功能，使用更加方便。
今年来，利用太阳能和其它能源的结合，使得太阳能热水器更加的完善，在任何天气情况下都能使用到热水。
此款热水器包括主、从两大系统：
主系统的特点是在晴好的天气利用太阳光能为热水器加热；
从系统相当于电热水器，它在无光照的情况下利用电辅助加热。
它充分利用太阳能的丰富的免费的资源的优势，同时考虑到在阴天及夜间无法利用太阳能的缺点，充分发挥太阳能热水器和电热水器的各自优势，这是世面上大部分热水器所不能比拟的。
当今社会发展日新月异，人们衣食住行也在不断的提高。
现有电热型热水器费用昂贵及燃气型的不安全性，且排放二氧化碳污染大气，北方用煤气取暖造成城市空气环境污染，这些都是太阳能热水器良好的外部生存环境。
太阳能热水器克服了上述缺点，他是绿色环保产品。
它使用简单、方便。
太阳能热水器顺着时代发展的要求，满足人们对环保绿色产品的需求。
在人类文明程度日益提高的今天，它是现代文明社会的最佳选择。
应该注意到，集体单位对太阳能热水器的用量很大。
众所周知，太阳能是取之不尽，用之不竭，没有污染的巨大能源。
随着世界上煤、石油、天然气的存储量日益减少，能源危机已日益增长，环境污染的危机已威胁着生态平衡，太阳能开发利用的课题已提到人类的面前。
有人预测：
二十一世纪太阳能将由辅助能源上升为主要能源。
但由于太阳能的分散性、季节性和地区性又给太阳能利用带来重重困难，有些技术难点尚未突破，产品造价偏高，因而尚未被人们大规模使用。
在太阳能热利用技术中，太阳能热水器是技术上比较成熟、造价比较低廉的产品，同时给人民提供低耗能源、保护环境、绝对安全的热水而受到人们的欢迎。
世界各国的太阳能热水器生产发展也很快。
例如：
澳大利亚政府规定，在北部地区新建房屋一定要设置太阳能热水器，已经有25％的新住宅安装了太阳能热水器。
日本现在每年安装太阳能热水器近50万台，计划今后普及率更高。
有些国家法令规定所有新建筑物必须配备太阳能热水器。
太阳能热水器的推广应用及经济效益据不完全统计，迄今全国太阳能热水器累计安装使用总量已达到300万平方米以上。
所以该控制器具有使用方便、性价比高、工作可靠、精度高等特点，为太阳能热水器的进一步推广具有积极的推动作用。
1.2本课题研究内容与主要工作
本设计主要利用单片机为核心，选择适当的传感器作为信号的采集来源，温度传感器选择数字式的DS18B20。
水位信号的检测选择PTJ204/205/206/207压力传感器，将检测的模拟信号经过A/D转换后送入单片机处理。
通过LED数码管来显示温度和水位。
要经过几部分的设计来完成：
（a）LED数码管显示部分设计
（b）A/D转换部分设计
（c）温度采集部分设计
（d）控制加热和上水电路设计
从系统需要和研究内容可以看出，本设计需要做的主要工作有：
查阅相关资料，了解各部分功能原理。
查阅元器件资料，掌握器件工作原理和硬件实现方法。
利用电脑仿真，对设计的电路进行模拟检测。
1.3本课题的研究预期成果
设计出太阳能热水器控制器，编写出稳定简洁的程序，调试成功，并在硬件电路上进行仿真达到预期的目的，完成设计任务。
2总体系统设计
总体设计之前，根据该系统所要达到的功能，选择适当的元器件和合适的芯片来设计系统，了解各器件的原理和功能。
太阳能热水器控制器设计，就要有温度采集器件，根据相关参数范围选择了DS18B20数字温度传感器，采集到的数据为数字量，可以直接送入单片机处理，电路简单，数字温度传感器比模拟温度传感器测量结果精确。
要显示水位量就要有单片机能处理的水位量，这个量就要由传感器来测量，这里的水位检测传感器选择模拟的传感器，模拟量不能直接进入单片机进行处理，要变成二进制的数字量才能送入单片机进行处理，这就要进行A/D转换，把采集到的水位信号转换成为数字量。
A/D转换的器件选择为ADC0832转换芯片，它是一个两路模拟量输入，转换完的数字量串行输出，ADC0832转换芯片引脚少，能达到相同的功能，而且电路简单，方便。
显示所测量的结果要用到LED数码管，用LED数码管来显示结果比较清楚，防水和磨损，是比较好的显示方式。
要实现温度稳定控制，就需要设定温度的标准量，是和当前水的温度进行比较的，看当前水的温度有没有达到或者大于标准的温度，然后加以控制，要设置给定的温度就要有输入装置，采用简单的按键作为输入是很简便的，不会带来复杂的问题。
控制装置要采用电磁开关控制，这样就不用人为的操作，电磁开关在闭合或打开的时候在电磁线圈上会产生电流，为了防止这样的电流对前面的电路产生不良效果，与线圈并联一个二极管，利用二极管的单项导通性就能阻止电流流回电路，保证电路的安全。
为了保证单片机输出的控制信号稳定而且有足够大的电流，在单片机输出信号后加上正向驱动器来增大信号强度，再在电磁开关之前加上光电隔离，会阻隔掉不必要的干扰，通过光电隔离的电压信号是稳定的，这样的控制系统才能稳定可靠的工作。
3总体硬件设计
3.1系统总体硬件框图与工作原理
经过对所要设计的控制系统的功能要求进行分析，可以得道系统的总体硬件设计框图，如图3-1所示。
由系统的总框图可以看出该系统的工作原理为：
单片机89S52作为控制核心并协调整个系统的工作，通过数字温度传感器检测当前水的温度，由于数数字信号就直接送入单片机89S52内，通过单片机的处理在LED数码管上显示当前的温度值。
按键用来设定想要的温度值，单片机在内部通过比较设定的温度和当前温度，当前温度小于设定值时就会闭合电磁开关，开启加热装置。
自动上水方面是设置水位的上下限，水位小于下限时就会闭合电磁开关，就会开始上水，水位到达上线时就会自动断开电磁开关，停止上水。
温度和水位值在时时检测，达到控制目的[1]。
图3-1系统总体硬件框图
3.2温度传感器
3.2.1温度传感器DS18B20
温度传感器选择DS1820数字温度计，它以9位数字量的形式反映器件的温度值。
DS1820通过一个单线接口发送或接收信息，因此在中央微处理器和DS1820之间仅需一条连接线（加上地线）。
用于读写和温度转换的电源可以从数据线本身获得，无需外部电源。
因为每个DS1820都有一个独特的片序列号，所以多只DS1820可以同时连在一根单线总线上，这样就可以把温度传感器放在许多不同的地方。
这一特性在HVAC环境控制、探测建筑物、仪器或机器的温度以及过程监测和控制等方面非常有用。
图3-2DS18B20引脚排列与封装形式
表3-1DS18B20引脚说明
引脚
符号
说明
1
GND
接地
2
DQ
数据输入/输出脚。
对于单线操作：
漏极开路
3
VDD
可选的VDD引脚。
DS18B20虽然具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用口少等优点，但在实际应用中也应注意一下问题：
（a）较小的硬件开销需要相对复杂的软件进行连接补偿，DS18B20与微处理器间采用穿行数据传送，编程时要严格保证读写时序，否则将无法读取测温结果。
（b）连接DS18B20的总线电缆长度是有长度限制的。
当采用普通信号电缆传输长度不能超过50m，采用双绞线带屏蔽电缆时可达到150m。
（c）在DS18B20测温程序中，向DS18B20发出温度转换命令后，程序总要等待DS18B20的返回信号，要保持接触良好，否则会进入死循环。
DS18B20的特性：
（a）独特的单总线接口方式。
DS18B20在I/O处理器连接时，仅需要一个I/O口即可实现微处理器同DS18B20的双向通讯。
（b）DS18B20支持组网功能，多个DS18B20多个DS18B20可以并联在唯一的单线上，实现多点测温。
（c）DS18B20的测温范围为：
－55℃～＋125℃，在－10℃～＋85℃时，其精度为＋0.15℃。
（d）DS18B20的测量结果的数字量位数从9～12位，可编程进行选择。
（e）DS18B20内部寄生电源，器件既可以由单线总线供电，也可以用外部电源供电。
DS18B290测温原理：
DS18B20测量温度采用了特有的温度测量技术，它是通过计数时钟周期来实现的，内部计数器对一个受温度影响的振荡器的脉冲计数，低温时，振荡器的脉冲无法通过门电路。
计数器设置为－55℃。
同时，计数器复位在当前的温度值时，电路对振荡器的温度系数进行补偿，计数器重新开始计数直到回零。
如果门电路仍未关闭，则系统重复上述过程[2]。
3.2.2DS18B20的结构
DS18B20有三个主要数字部件：
1.64位激光ROM，
2.温度传感器，
3.非易失性温度报警触发器TH和TL。
器件用如下方式从单线通讯线上汲取能量：
在信号线处于高电平期间把能量储存在内部电容里，在信号线处于低电平期间消耗电容上的电能工作，直到高电平到来再给寄生电源（电容）充电。
DS1820也可用外部5V电源供电。
图3-3DS18B20的内部结构
DS18B20单纯通信功能是分时完成的。
单线信号包括复位脉冲，响应脉冲，写“0”，写“1”，读“1”。
它们有严格的时隙概念。
系统对DS18B20的操作以ROM命令（5个）和存储器命令（6个）形式出现。
对它的操作协议是：
初始化DS18B20发复位脉冲－发ROM功能命令－处理数据－发存储器命令处理数据，各种操作都有相应的时序图[2]。
DS18B20在使用时，一般都采用单片机来实现数据采集。
只需将DS18B20信号线与单片机1位I/O线相连，且单片机的1位I/O线可挂接多个DS18B20，就可实现单点或多点温度测量。
DS18B20传感器的精度高、互换性好；
它直接将温度数据进行编码，可以只使用一根电缆传输温度数据，通信方便，传输距离远且抗干扰性好，与用传统的温度传感器系统相比系统得以简化。
系统扩充维护十分方便。
3.3水压传感器及A/D转换
水位传感器输出的信号为模拟信号，由于输出量微弱，要经过放大器的放大转化为0～5V的电压信号，才能送入ADC0832中进行转换，输出为串行数字数据，送入单片机89S52处理。
传感器和AD转换原理图如下图3－4所示：
图3-4模拟量输入及AD转换电路结构
3.3.1水压传感器
力学传感器的种类繁多，如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、电感式压力传感器、压阻式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等。
但应用最为广泛的是压阻式压力传感器，它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。
在水箱的最底部安装压力传感器，水位的不同，传感器检测到的压力值就不同，采集到的模拟量信号经过处理和计算，就能换算成水位的高低，经过单片机显示[3]。
3.3.2ADC0832结构及原理
图3-5ADC0832芯片引脚图
芯片各引脚说明：
1）CS_片选使能，低电平芯片使能。
2）CH0模拟输入通道0，或作为IN+/-使用。
3）CH1模拟输入通道1，或作为IN+/-使用。
4）GND芯片参考0电位（地）。
5）DI数据信号输入，选择通道控制。
6）DO数据信号输出，转换数据输出。
7）CLK芯片时钟输入。
8）Vcc/REF电源输入及参考电压输入（复用）。
ADC0832为8位分辨率A/D转换芯片，其最高分辨可达256级，可以适应一般的模拟量转换要求。
其内部电源输入与参考电压的复用，使得芯片的模拟电压输入在0~5V之间。
芯片转换时间仅为32μS，据有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度快且稳定性能强。
独立的芯片使能输入，使多器件挂接和处理器控制变的更加方便。
通过DI数据输入端，可以轻易的实现通道功能的选择。
单片机对ADC0832的控制原理：
正常情况下ADC0832与单片机的接口应为4条数据线，分别是CS、CLK、DO、DI。
但由于DO端与DI端在通信时并未同时有效并与单片机的接口是双向的，所以电路设计时可以将DO和DI并联在一根数据线上使用。
当ADC0832没有工作时其CS输入端为高电平，此时芯片禁用，CLK和DO/DI的电平可任意。
当要进行A/D转换时，须先将CS使能端为低电平并且保持低电平直到转换完全结束。
此时芯片开始转换工作，同时由处理器向芯片时钟输入端CLK输入时钟脉冲，DO/DI端则使用DI端输入通道功能选择的数据信号。
在第1个时钟脉冲的下沉之前DI端必为高电平，表示启始信号。
在第2、3个脉冲下沉之前DI端输入2位数据用于选择通道功能，当此2位数据为“1”、“0”时，只对CH0进行单通道转换。
当2位数据为“1”、“1”时，只对CH1进行单通道转换。
当2位数据为“0”、“0”时，将CH0作为正输入端IN+，CH1作为负输入端IN-进行输入。
当2位数据为“0”、“1”时，将CH0作为负输入端IN-，CH1作为正输入端IN+进行输入。
到第3个脉冲的下沉之后DI端的输入电平就失去输入作用，此后DO/DI端则开始利用数据输出DO进行转换数据的读取。
从第4个脉冲下沉开始由DO端输出转换数据最高位DATA7，随后每一个脉冲下沉DO端输出下一位数据。
直到第11个脉冲时发出最低位数据DATA0，一个字节的数据输出完成。
也正是从此位开始输出下一个相反字节的数据，即从第11个字节的下沉输出DATA0。
随后输出8位数据，到第19个脉冲数据输出完成，也标志着一次A/D转换的结束。
最后将CS置高电平禁用芯片，直接将转换后的数据进行处理就可以了[3]。
3.4电磁开关电路及原理
要实现自动控制，就要有能自动闭合的开关，这里用到的是电磁开关（继电器），继电器上有电流时，由于电磁感应就会在铁心上产生磁性，将开关弹片吸引，使外部电路导通。
为了在电磁继电器上有稳定的电流流过，前端就要有相应的控制元器件，我选择的是光电隔离器件，隔离掉了不稳定的因素。
使光电隔离前端的发光稳定，信号的前端还需要驱动，提供稳定的信号电流。
只有发光部分的稳定，后面的信号才能得到稳定输出。
控制加热装置和上水装置的电路如图3－6所示[4]。
控制电路工作原理：
单片机根据处理的结果，从控制端口输出低电平控制信号，通过正向驱动器，得到稳定的信号，使得光电隔离前端的发光二极发光，电路接通，后续电路工作，输出电压经分压，三极管导通，电磁继电器工作，弹片向下吸引，开关闭合，后面的电路开始工作。
图3-6电磁开关控制电路
3.4.1光电隔离器的原理
光电隔离器（opticalcoupler，英文缩写为OC）亦称光耦合器，简称光耦。
光耦合器以光为媒介传输电信号。
它对输入、输出电信号有良好的隔离作用，所以，它在各种电路中得到广泛的应用。
目前它已成为种类最多、用途最广的光电器件之一。
光耦合器一般由三部分组成：
光的发射、光的接收及信号放大。
输入的电信号驱动发光二极管（LED），使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。
这就完成了电到光再到电的转换，从而起到输入、输出、隔离的作用。
在发光二极管上提供一个偏置电流，再把信号电压通过电阻耦合到发光二极管上，这样光电晶体管接收到的是在偏置电流上增、减变化的光信号，其输出电流将随输入的信号电压作线性变化。
光电耦合器也可工作于开关状态，传输脉冲信号。
在传输脉冲信号时，输入信号和输出信号之间存在一定的延迟时间，不同结构的光电耦合器输入、输出延迟时间相差很大。
由于光耦合器输入输出间互相隔离，电信号传输具有单向性等特点，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。
又由于光耦合器的输入端是电流型工作的低阻元件，因而具有很强的共模抑制能力。
所以，它在长线传输信息中作为终端隔离元件可以大大提高信噪比。
在计算机数字通信及实时控制中作为信号隔离的接口器件，可以大大增加计算机工作的可靠性。
光耦合器的主要优点是：
信号单向传输，输入端与输出端完全实现了电气隔离，输出信号对输入端无影响，抗干扰能力强，工作稳定，无触点，使用寿命长，传输效率高[5]。
电耦合器之所以在传输信号的同时能有效地抑制尖脉冲和各种干扰，使通道上的信号稳定性大为提高，主要有以下几方面的原因：
（1）光电耦合器的输入阻抗很小，只有几百欧姆，而干扰源的阻抗较大，通常为105～106Ω。
据分压原理可知，即使干扰电压的幅度较大，但馈送到光电耦合器输入端的干扰电压会很小，只能形成很微弱的电流，由于没有足够的能量而不能使二极体发光，从而被抑制掉了。
（2）光电耦合器的输入回路与输出回路之间没有电气联系，也没有共地；
之间的分布电容极小，而绝缘电阻又很大，因此回路一边的各种干扰都很难通过光电耦合器馈送到另一边去，避免了共阻抗耦合的干扰信号的产生。
（3）光电耦合器可起到很好的安全保障作用，即使当外部设备出现故障，甚至输入信号线短接时，也不会损坏仪表。
因为光耦合器件的输入回路和输出回路之间可以承受几千伏的高压。
3.4.2电磁继电器的原理
继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），
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